טורבינת גז

חתך של טורבינת גז

טורבינת גז היא רכיב המניע את מכלול הרכיבים הסובבים במנוע והנפוץ כיום במנועי טורבינה. "מנועי טורבינה" הוא שם כולל למשפחת המנועים המכילים טורבינה, כשביניהם מנוע סילון, מנוע טורבו-פרופ המסובב פרופלור ומנוע צירי. כולם משתמשים בטורבינה כשההבדל בין המנועים הנו בתוצר הסופי שהוא בהתאמה דחף סילוני של גזים שרופים, דחף/סחב של אוויר אטמוספירי או תנועה סיבובית של גל ארכובה להנעת רוטור או תיבת תמסורת.

למרות שמן, טורבינות גז לא חייבות להיות מונעות בגז טבעי ויכולות להיות מונעות בדלק נוזלי.

פעולת הטורבינה

הטורבינה מורכבת במנוע על ציר שבצידו השני מורכב המדחס. הגזים החמים בלחץ גבוה, היוצאים מתא השריפה, גורמים לסיבובה ולסיבוב המדחס עימה. המדחס מעצם סיבובו שואב אוויר למנוע לתוך תא השריפה, בו מתרחשת הבעירה ומספק בעקביות גזים לטורבינה, שממשיכה להניע את כל המנוע. תחילת התהליך הינו על ידי סיבוב הטורבינה באמצעות מקור חיצוני (מנוע קטן) ויצירת הצתה על ידי מצתים בתא השריפה. עם ייצוב המנוע בסל"ד מסוים, מנותק המקור החיצוני והמנוע ממשיך להסתובב עצמאית בהתאם לחוקי הבקרה שלו.

לטורבינה, כמו גם למדחס, יש שני שלבים: סטטור ורוטור. הסטטור הינו חלק נייח הבנוי משורת להבים בקוטר הטורבינה. להבים אלו מכווינים את הגזים העוזבים את תא השריפה לעבר להבי הרוטור של הטורבינה על מנת לנצל באופן מיטבי את אנרגיית הגז ולהמירה באמצעות סיבוב רוטור הטורבינה לאנרגיה מכנית (קינטית). חישוב מהירויות זרימת הגז בין להבי הסטטור והרוטור נעשה על ידי משולש מהירויות, הכולל את המהירות המוחלטת של הגז, מהירות סיבוב הרוטור והמהירות היחסית ביניהם. משולש המהירויות מכתיב את זוויות להבי הסטטור והרוטור בעת תכנונם וכן את מהירות סיבוב הטורבינה. בטורבינה הסטטור הינו לפני הרוטור ובמדחס ההפך.

במנועים מתקדמים, ממשפחת מנועי המניפה, קיימות שתי טורבינות, כאשר כל אחת מהן מקושרת למדחס באמצעות ציר נפרד. המדחס הראשון הינו מדחס לחץ נמוך, שהוא למעשה המניפה, מחובר לטורבינה האחרונה במנוע, שנקראת טל"נ - טורבינה לחץ נמוך. לאחר המניפה נמצא המדחס במנוע, אשר מחובר לטורבינה הראשונה, הנקראת טל"ג - טורבינה לחץ גבוה. שני הצירים המחברים את מכלול הלחץ הנמוך (מניפה-טל"נ) ומכלול הלחץ הגבוה (מדחס-טל"ג) הינם קונטנצריים ועוברים האחד בתוך השני. מנועי מניפה חסכוניים יותר בדלק ככל שקוטר המניפה גדול יותר ולכן מצויים לרוב במטוסי נוסעים, אשר אינם זקוקים לשטח חתך קטן ומהירויות גבוהות כמטוסי קרב.

יכולות וביצועים

על מנת למדוד יכולותיה וביצועיה של הטורבינה קיימים מושגים כגון נצילות מכנית ויעילות. על מנת שטורבינה תפיק את המירב ותמזער הפסדים, כל להב, גם של הסטטור וגם של הרוטור, נמצא מול אטם אוויר למניעת דליפות אוויר אשר לא ינוצל לתהליך הבערה בטורבינה. אטם האוויר הנפוץ הינו מסוג חלת דבש, הנשחקת אל מול הלהבים וכך משאירה מרחק אפסי בין הלהב לאטם ומונעת בריחת אוויר. עם הזמן, בעת עבודת הטורבינה הלהבים מתארכים עקב מאמצים צנטריפוגליים וטמפרטורה גבוהה מאד. עקב כך נשחקת חלת הדבש לעומק גדול יותר מאורך הלהב בעודו קר. לכן בהנעת מנוע טורבינת גז (מנוע קר - מרווח גדול - הפסדים) נצילותו נמוכה יותר מאשר בעת שהוא בזמן פעולה (מנוע חם - להבים מוארכות - מרווח קטן - פחות הפסדים).

ללהבי טורבינה, בשונה מלהבי מדחס, יש בדרך כלל מנגנון קירור. להבי מדחס אינם סובלים מעומסי חום גבוהים כמו להבי הטורבינה ולכן אינם זקוקים לכך. להבי הטורבינה הם חלולים ומחולקים ל"תאים", כשלכל תא יש חורי כניסת אוויר קירור וחורי יציאת האוויר שהתחמם מהלהב. על ידי כך נמנעת התכת להבי הטורבינה.